A Wideband Narrow Beam 1x6 Linear Antenna Array for Automotive Radar and 5G Millimetre-Wave Applications

Technische Samenvatting: Een breedbandige smalle bundel 1x6 lineaire antenne-array voor automobielradar en 5G-millimetergolf-toepassingen

Probleemstelling
Millimetergolf-frequenties (mm-golven, 24–300 GHz) zijn cruciaal voor systemen met hoge capaciteit en lage latentie, zoals 5G-netwerken, automobielradar en vehicle-to-everything (V2X)-communicatie. Deze signalen lijden echter onder ernstig vrije-ruimte padverlies en multipath fading, wat vaak hoge Effectieve Isotrope Uitgestraalde Vermogen (EIRP) vereist. Hoewel het verhogen van het zendvermogen een optie is, beperken regelgevende grenzen voor blootstelling aan elektromagnetische velden (EMV), met name in automobiel- en medische omgevingen, deze aanpak. Bijgevolg is het verbeteren van de antenneversterking door middel van smalle bundels met hoge directiviteit via arrays de voorkeursoplossing.

Bestaande literatuur biedt diverse oplossingen met hoge versterking, waaronder lekke-golfantennes, substraat-geïntegreerde golfgeleider (SIW)-voedingen en meerlagige structuren. Deze ontwerpen introduceren echter vaak aanzienlijke structurele complexiteit, hoge fabricagekosten en een toegenomen profieldikte. Bovendien blijft het bereiken van een combinatie van compact formaat, breed impedantiebandbreedte en smalle bundelstraling op mm-golf-frequenties met een eenvoudige planaire architectuur een uitdaging, met name voor serieel gevoede arrays waar wederzijdse koppeling kan leiden tot beam squint en een ongelijkmatige vermogensverdeling.

Methodologie
De auteurs stellen een compacte, enkelvoudige laag 1×6 lineaire microstrip-patch-antenne-array voor die is ontworpen voor bediening op 28 GHz. Het ontwerp maakt gebruik van een Rogers RO3003-substraat (dikte 1,574 mm, $\epsilon_r$ = 3,0, tan $\delta$ = 0,0013) om signaalverzwakking te minimaliseren.

• Structuur: De array bestaat uit zes rechthoekige stralende patches die lineair zijn gerangschikt.
• Voedingsmechanisme: Er wordt een serieel gevoede topologie toegepast. De primaire patch wordt aangedreven via een microstrip-voedingslijn (0,5 mm breedte, 1,5 mm lengte). De overige vijf patches zijn onderling verbonden via ultra-smalle microstrip-transmissielijnen (0,1 mm breedte, 0,5 mm lengte) om een effectieve vermogensverdeling te faciliteren.
• Optimalisatie: De onderlinge afstand is geoptimaliseerd tot 1,9 mm. Deze afstand is cruciaal om wederzijdse koppeling te minimaliseren en tegelijkertijd constructieve interferentie in de breedstralingsrichting te waarborgen voor het bereiken van een smalle bundel.
• Simulatie en Fabricage: Het ontwerp is gesimuleerd met CST Studio Suite (tijddomeinoplosser) over een bereik van 25–35 GHz. Het fysieke prototype is gefabriceerd met een elektronisch freesproces op het Rogers-substraat, gevolgd door handmatige correctie van koperonregelmatigheden en het solderen van een SMA-connector.

Belangrijkste Bijdragen
De primaire nieuwheid van dit werk ligt in de realisatie van een compacte, enkelvoudige laag, serieel gevoede 1×6 microstrip-array die gelijktijdig een breed impedantiebandbreedte, smalle bundelstraling en hoge directionele versterking bereikt zonder complexe meerlagige structuren of SIW-voedingen.

• Eenvoud: Het ontwerp vermijdt de complexiteit van meerlagige substraten, metalen vias of corporate voedingsnetwerken, en maakt gebruik van een eenvoudige planaire structuur met ultra-smalle interconnecties.
• Prestatiebalans: De auteurs beweren dat ze de veelvoorkomende uitdagingen van serieel gevoede arrays (zoals beam squint en bandbreedtebeperkingen) succesvol hebben mitigeren door middel van precieze afstand en smalle interconnecties, waardoor stabiele stralingsprestaties over het bedrijfsbereik worden behouden.
• Experimentele Validatie: In tegenstelling tot veel theoretische studies omvat dit werk de fysieke fabricage en experimentele testen van de antenne in een anechoïsche kamer.

Resultaten
Experimentele en simulatieresultaten tonen de geschiktheid van de antenne voor 28 GHz-toepassingen:

• Impedantie-aanpassing: De gemeten reflectiecoëfficiënt ($S_{11}$) toont een diepe nul van ongeveer –33 dB bij 28,8 GHz. De –10 dB impedantiebandbreedte beslaat 1,2 GHz (27,5 GHz tot 28,7 GHz), wat de doelwitbanden voor 5G en automobielradar dekt.
• VSWR: Het Voltage Standing Wave Ratio blijft onder de 2,0 over het bedrijfsbereik, met een minimum van 1,06 bij 28,8 GHz.
• Versterking en Directiviteit: Een piek gerealiseerde versterking van ongeveer 9,9 dBi werd waargenomen bij 28 GHz.
• Stralingspatronen: De array vertoont een directioneel fan-beam-karakteristiek. In het $\phi = 0^\circ$-vlak wordt de hoofdbundel gestuurd naar $\theta \approx 40^\circ$ (met een 3 dB bundelbreedte van 86,3°), terwijl het $\phi = 90^\circ$-vlak een smalle, zeer directionele bundel toont. De zijlobniveaus werden gemeten op –3,1 dB en –4,7 dB, wat een effectieve onderdrukking aangeeft.
• Stroomverdeling: Oppervlaktestroomanalyse bevestigt een uniforme excitatie over alle zes elementen, wat het serieel gevoede ontwerp valideert en de afwezigheid van significante stroomdiscontinuïteiten aangeeft.
• Afwijkingen: Er werd een lichte frequentieverschuiving waargenomen tussen gesimuleerde en gemeten resultaten, toegeschreven aan fabricagetoleranties, variaties in de diëlektrische eigenschappen van het substraat en parasitaire effecten van de SMA-connector, wat wordt opgemerkt als gebruikelijk bij mm-golf-implementaties.

Betekenis en Claims
Het artikel positioneert dit ontwerp als een praktische, kosteneffectieve oplossing voor next-generation draadloze systemen. De auteurs claimen dat de antenne een veelbelovend alternatief biedt voor compacte, hoogpresterende beamforming-systemen in intelligent vervoer (bijvoorbeeld detectie van rijstrookwisselingen, dode hoekbewaking) en 5G-mm-golfcommunicatie (bijvoorbeeld point-to-point backhaul).

De betekenis van het werk wordt geframeerd rond het vermogen om hoge versterking en een breed bandbreedte te leveren met behulp van een eenvoudig, enkelvoudig laag fabricageproces, waardoor het geschikt is voor platformen met beperkte ruimte zoals autonome voertuigen en IoT-apparaten. De auteurs stellen dat, voor zover hen bekend, deze specifieke combinatie van breedbandprestaties, smalle bundelstraling en eenvoudige planaire fabricage voor een 1×6 serieel gevoede array die is gericht op zowel automobielradar als 5G-toepassingen, eerder niet is gerapporteerd. Toekomstig werk wordt voorgesteld om zich te richten op array-integratie en beamforming-technieken om de dekking en wendbaarheid verder te verbeteren.